İZOLE EDİLMİŞ VE DİMETİL ADİPAT KATKISI KULLANILAN BİR DİZEL MOTORUN EGZOZ EMİSYONLARININ İNCELENMESİ Hanbey HAZAR Prof. Dr., Fırat Üniversitesi, hanbeyhazar@hotmail.com Hüseyin SEVİNÇ Arş. Gör., Fırat Üniversitesi, h.sevinc@firat.edu.tr Serhat ŞAP Öğr. Gör., Bingöl Üniversitesi, ssap@bingol.edu.tr ÖZET İçten yanmalı motorlar arasında yüksek verimliliği ile, birçok alanda etkin bir şekilde kullanılan dizel motorların oluşturduğu zararlı egzoz emisyonları, insan ve ekolojik yaşam üzerinde olumsuz etkiler oluşturmaktadır. Özellikle dizel motorların doğası gereği ürettiği yüksek azotoksit (NOX) ve karbonmonoksit (CO) emisyonları bu zararlı egzoz gazlarının başında gelmektedir. Geçmişten günümüze motorlu taşıtların ürettiği egzoz emisyonları azaltmaya yönelik olarak birçok yöntem denenmiştir. Dizel motorların oluşturduğu bu zararlı egzoz emisyonları azaltma yollarından birisi de yanma odası elemanlarının, düşük ısıl iletkenliğe ve yüksek çalışma sıcaklığına sahip seramik malzemeler ile kaplanmasıdır. Buna ek olarak oksijenli yakıt katkılarının kullanımı, dizel motorlarda egzoz emisyonlarını azaltıcı alternatif yöntemler arasında kullanılmaktadır. Bu çalışmada tek silindirli, dört zamanlı, direkt enjeksiyonlu, hava soğutmalı bir dizel motorun yanma odası elemanları olan silindir, emme ve egzoz supapları ve piston yüzeyleri bor malzemesi ile kaplanmıştır. Kaplanmamış (NM) ve kaplanmış (KM) motorlarda yakıt özelliklerini iyileştirmek amacıyla kimyasal yapısında oksijen ihtiva eden dimetil adipat (DMA) %2, %6 ve %12 (hacim) oranlarında dizel yakıt ile karıştırılarak kullanılmıştır. Motor deneyleri, yarım yük koşulları altında 1800-3000 devir/dk motor hızı aralığında gerçekleştirilmiştir. Motor tipi ve yakıt durumuna göre değişiklik gösteren her durum için zararlı egzoz emisyonları olan CO, hidrokarbon (HC) ve NOX ölçümleri kayıt altına alınmıştır. Sonuç olarak, dizel ve DMA yakıt karışımı içerisindeki DMA miktarının artması CO ve HC emisyonlarını azaltırken, NOX emisyonlarını arttırdığı görülmüştür. Aynı yakıtla çalışan, NM ve KM kıyaslandığında, KM de NOX değerlerinin artış gösterdiği gözlenirken CO ve HC emisyonlarında azalma görülmüştür. Genel olarak, yanma odası elemanlarının bor ile kaplanması ve DBM nın yakıt katkısı olarak kullanılması emisyonlar üzerinde olumlu etkiler göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Termal bariyer kaplama, Dimetil adipat (DMA), Egzoz emisyon 1030
INVESTIGATION OF EXHAUST EMISSIONS OF AN ISOLATED DIESEL ENGINE WITH USAGE OF DIMETHYL ADIPATE ABSTRACT Harmful exhaust emissions generated by diesel engines that have higher efficiency among internal combustion engines (ICE) and effectively used in many areas have negative effects on human and ecological life. Especially the high nitrogen oxide (NOX) and carbon monoxide (CO) emissions produced by diesel engines are one of the most harmful exhaust gases. From past to present, many methods have been tried to reduce the exhaust emissions produced by motor vehicles. One of the ways to reduce these harmful exhaust emissions from diesel engines is the coating of combustion chamber elements with ceramic materials which have low thermal conductivity and high working temperature. In addition, the use of oxygenated fuel additives is used among alternative methods to reduce exhaust emissions in diesel engines. In this study, a single cylinder, four stroke, direct injection, air-cooled diesel engine' s cylinder, intake valve, exhaust valve, and piston were coated with boron material. In order to improve the fuel properties, dimethyl adipate (DMA), which contains oxygen in its chemical structure, was used in uncoated (NE) and coated (CE) engines by mixing with 2%, 6%, and 12% (vol.) diesel fuel. The engine tests were carried out in the range of 1800-3000 rpm engine speed under half load conditions. CO, hydrocarbon (HC) and NOX measurements were recorded for each situation which varies according to engine type and fuel condition. As a result, the increase in the amount of DMA in the diesel-dma fuel mixture decreased CO and HC emissions and increased NOX emissions. When NE and CE which were operated with same fuel were compared, it was seen that there was an increase in NOX values of CE and a decrease in CO and HC values of CE. In general, coating of the combustion chamber elements with boron and the use of DBM as a fuel additive have positive effects on emissions. Keywords: Thermal barrier coating, Dimethyl adipate, Exhaust emission 1. GİRİŞ Dünya nüfusunun sürekli artması ve insanların yaşam standartlarının yükselmesi enerji krizlerine neden olmaktadır. Ülkelerin ekonomik gelişmelerinde ulaşım sektörü önemli bir faktördür [1]. Fosil yakıtlar içerisinde dizel yakıtı transport sektöründe en çok kullanılan yakıt tipidir. Ancak enerji kaynaklarının hızlı bir şekilde azalması ve fosil yakıtlardan kaynaklanan zararlı emisyonların alarm seviyesine yükselmesi kaygı verici bir durumdur [1 4]. Dizel yakıtının yanma veriminin düşük olması, çevreye PM CO, NOX, HC gibi zararlı emisyonların salınımına neden olmaktadır. Araştırmacıların hedefi bu zararlı egzoz emisyonlarını azaltmak ve motor verimini yükseltmektir. İçten yanmalı motorlarda, yanma verimini arttırma yöntemlerinden biride yanma odası elemanlarının kaplanmasıdır. Düşük ısı kayıplı motorlar ya da adyabatik olarak adlandırılan bu motorlarda yanma odası elemanlarının bir kısmının veya tamamının ısı iletkenliği düşük bir malzeme ile kaplanması sonucu yanma sıcaklığı artmaktadır [5]. Böylece hem yanma daha verimli olmakta hem de kirletici emisyonlar iyileşmektedir. 1031
Dizel yakıtının kimyasal ve fiziksel olarak özelliklerinin geliştirilmesi yanma verimi ve egzoz emisyonları üzerinde olumlu etki yapacaktır. Dizel yakıtının bu özelliklerinin geliştirilme yöntemlerinden bir tanesi de katkı maddeleridir [6,7]. Katkı maddeleri yanma verimini geliştirerek hem motor performansını artırmakta hem de emisyonlar üzerinde olumlu etki yapmaktadır. Kimyasal yapısında oksijen atomlarına sahip olması ile dimetil adipat (DMA) bu tür katkı maddelerinden biri olma potansiyeline sahiptir. DMA nın içerisindeki yüksek oksijen içeriği yanmayı iyileştirerek hem motor performansını artırmakta hem de zararlı egzoz emisyonlarını azaltmaktadır. Bu çalışmada, bir dizel motorunun yanma odası elemanları olan silindir gömleği ve supaplar borlama yöntemiyle, piston ise plazma sprey yöntemiyle bor esaslı bir malzemeyle kaplanmıştır. Kaplanmamış (NM) ve kaplanmış (KM) motorlarda yakıt özelliklerini iyileştirmek amacıyla kimyasal yapısında oksijen ihtiva eden dimetil adipat (DMA) %2, %6 ve %12 (hacim) oranlarında dizel yakıt ile karıştırılarak kullanılmıştır. Referans yakıt No. 2D (D2) ve etkileri tek silindirli, direkt püskürtmeli, tabii emişli bir dizel motorunda yarım yük-farklı devir şartlarında incelenmiştir. 2. MATERYAL VE METOT Deneysel çalışmada 4 zamanlı, hava soğutmalı, tek silindirli dizel bir motor kullanılmıştır. Yanma odası elemanları olan silindir gömleği, piston, egzoz ve emme supapları kaplanmıştır. Kaplama işleminde iki farklı yöntem kullanılmıştır. Silindir ve supaplar için katı borlama yöntemi, piston için plazma sprey yöntemi kullanılmıştır. Kaplama öncesi parçalardan kaplama kalınlığı kadar talaş alınmıştır. Katı borlama işlemi, silindir gömleği ve supaplar için parçaların kaplama fırını içerisinde yüksek sıcaklık altında tavlanması, tavlama sonrası ham silindir gömleği ve supapların işlenmesi, işlenen ham parçaların kalıp içerisine alınarak Ekabor-2 tozuyla ve deoksidan malzeme kaplanması işlemlerinden oluşmaktadır. Borlama elemanı olarak ticari Ekabor -2 tozu ve deoksidan malzeme olarak da Ekrit kullanılmıştır. Borlama işlemi 950 o C de 4 saat boyunca ısıl işlem uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Piston malzemesinin Al-Si alaşımı olmsı sebebi ile kaplaması plazma sprey yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Pistonun orijinal ölçülerine gelmesi için kaplama öncesi piston üst yüzeyinden 300 µm talaş kaldırılmıştır. Kaplama işlemi ilk etapta yüzeye 50 şer µm kalınlıkta CoNiCrAl Yttra bağlayıcı (bond) malzeme püskürtülerek başlamış ve daha sonra oluşturulan bu bağlayıcı tabakanın üzerine 250µm kalınlıkta NiCrBSi tozu püskürtülerek sonlandırılmıştır. Şekil 1 de deney testinin şematik şekli görülmektedir. Testler Şekil 1 de gösterildiği gibi Cusson P8160 marka bir elektrikli dinamometre düzeneği üzerinde yapılmıştır. Egzoz gazı içerisindeki CO (%), HC (ppm), is (%) ve NOx (ppm) emisyonları Bosch gaz analiz cihazı ile ölçülmüştür. Tablo 1 de deney motorunun teknik özellikleri görülmektedir. Tablo 2 de egzoz emisyon ölçüm cihazının teknik özellikleri verilmiştir. 1032
Şekil 1. Test düzeneğinin şematik gösterimi Tablo 1. Deney motorunun teknik özellikleri Motor tipi Lombardini 6LD 400 Silindir sayısı 1 Bore/stroke (mm) 86/68 Sıkıştırma oranı 18:1 Maximum motor gücü (kw) 6.25 (3600 dk 1 ) Yakıt tipi dizel Enjeksiyon tipi Doğrudan enjeksiyon Enjeksiyon basıncı (kg/cm 2 ) 200 Soğutma tipi Hava soğutmalı Maximum motor devri (dk 1 ) 3600 Motor hacmi (mm 3 ) 382 427 491 Tablo 2. Egzoz emisyon ölçüm cihazı teknik özellikleri. Bileşenler Ölçüm aralığı Hassasiyet CO (% hac.) 0.00 10.00 0.001 CO 2 (% hac.) 0.00 18.00 0.01 HC (ppm hac.) 0 9.999 1 O 2 (% hac.) 0.00 22.00 0.01 λ 0.500 9.999 0.001 NO (ppm hac.) 0 5000 1 Testler yarım yük şartında yapılmıştır. Motor, normal çalışma sıcaklığına ulaşması için D2 yakıtı ile 30 dk. çalıştırılmıştır. Deneylerden önce kaplanmamış motor test edilerek sonuçlar alınmış daha sonra aynı motorun; silindir, piston egzoz ve emme supabı yüzeyi kaplanarak aynı şartlar altında testler 1033
tekrarlanmıştır. Her hızda motor bir süre bekletilmiş ve daha sonra ölçüm sonuçları kaydedilmiştir. Bütün ölçümler her hızda en az 3 kez tekrarlanmıştır. 3. BULGULAR ve TARTIŞMA 3.1. Karbon monoksit (CO) emisyonlarının karşılaştırılması CO emisyonunun oluşumundaki en önemli faktörlerden biri, reaksiyon sonunda düşük sıcaklık ve yetersiz oksijendir [8,9]. Şekil 2 e göre her iki motor ve bütün test yakıtları için düşük devirlerde yanma odası sıcaklığının düşük olmasının CO i arttırdığı düşünülmektedir. Bütün yakıtlar için orta devirlerde CO in azaldığı, yüksek devirlerde ise tekrar arttığı görülmüştür. Özellikle orta devirlerde yanma sonu sıcaklığının artması ve böylece yanma şartlarının iyileşmesi, çoğu yanmamış HC lerin oksijen ile tepkimeye girmesi, bu sonucu ortaya çıkardığı düşünülmektedir. Motorda devrin arttırılmasıyla orantılı olarak her iki motor için CO emisyonun yükseldiği görülmektedir. Bu beklenen bir durumdur. Çünkü devrin artmasıyla beraber yanma odasına alınan yakıt miktarının artması, yanma için gerekli süre ve oksijen miktarının azalması CO emisyonunun artmasına neden olmaktadır. 0,025 CO(%) 0,023 0,021 0,019 0,017 0,015 0,013 0,011 0,009 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 Motor devri (dev/dk) NM KM NM-2 NM-6 NM-12 KM-2 KM-6 KM-12 Şekil 2. CO emisyonlarının değişimi Şekil incelendiğinde hem kaplanmamış motorda (NM) hem de kaplanmış motorda (KM) bütün test yakıtları içinde en yüksek CO emisyonu D2 yakıtında meydana gelmiştir. D2 yakıtlı NM ve KM nin CO emisyon değerleri karşılaştırıldığında, KM de ortalama %27.08 oranında bir azalma olduğu görülmüştür. KM nin neden olduğu bu azalmanın sebebinin, yanma odası elemanlarında dış ortama aktarılan ve kaplama sonrasında soğuma için kullanılan ısı miktarındaki azalma, kimyasal reaksiyon sıcaklığında ve yanma verimliliğinde artışın olduğu düşünülmektedir. 1034
DMA katkısının CO emisyonu üzerinde olumlu etkiye sahip olduğu görülmüştür. DMA katkı maddesinin kimyasal yapısında dizel yakıtına göre oksijen içeriğinin fazla olması, kimyasal olarak uyum sağlaması, düşük karbon oranı, viskozitesinin düşük olması, CO emisyonunun azalmasına neden olduğu düşünülmektedir. KM deki %2 DMA + D2 yakıtı, %6 DMA + D2 yakıtı ve %12 DMA + D2 yakıtı sırasıyla CO emisyonlarında, ortalama %2.90, %4.28 ve %5.71 oranlarında azalma meydana getirdiği görülmüştür. 3.2. Azot oksit (NOX) emisyonlarının karşılaştırılması NOX yaklaşık olarak 1400 o C nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşumunu artıran bir emisyondur. Özellikle O2 in bulunduğu bölgelerdeki sıcaklığın yüksekliği ve bu sıcaklıkta kalma süresi oldukça etkilidir. Şekil 3 de NOX emisyonlarının NM ve KM deki değişimleri gösterilmiştir. Şekil 3 incelendiğinde her iki motorda bütün test yakıtları içinde en yüksek NOX emisyonu KM de, %12DMA+D2 yakıtında meydana gelmiştir. 200 NO X (ppm) 180 160 140 120 100 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 Motor devri (dev/dk) NM KM NM-2 NM-6 NM-12 KM-2 KM-6 KM-12 Şekil 3. NO X emisyonlarının değişimi NM ile KM kıyaslandığında uygulanan kaplama işleminden dolayı KM deki bütün test yakıtları için NOX emisyonunda artış görülmüştür. NM ve KM için NOX emisyonları karşılaştırıldığında; D-2 yakıt, %2DMA + D2, %6DMA+ D2 yakıt ve %12DMA + D2 yakıtları için sırasıyla %26.56, %26.64, %26.18 ve %28.59 oranlarında artışlar meydana geldiği görülmüştür. Ayrıca KM deki NOX değerleri incelendiğinde, D2 yakıta kıyasla %2DMA + D2 yakıt, %6DMA + D2 yakıt ve %12DMA + D2 yakıtlarının NOX değerlerinde sırasıyla, %1.23, %1.72 ve %3.82 oranlarında artışlar görülmüştür. 3.3. Hidrokarbon (HC) emisyonlarının karşılaştırılması 1035
Şekil 4 de HC emisyonlarının NM ve KM deki sonuçları gösterilmektedir. Her iki motor için düşük devirlerde HC emisyonun yüksek olduğu orta devir civarında bir miktar düştüğü, yüksek devirlerde tekrar artmaya başladığı görülmektedir. Düşük motor hızlarında silindir içi sıcaklığı düşük olduğu için bütün test yakıtları için CO ve HC yüksek çıkması beklenilen bir durumdur [7]. Orta devirde ise yanma sonu sıcaklığının artması ve yanmaya ayrılan sürenin artması yanma verimini artırmaktadır. Yüksek devirlerde ise yanmaya ayrılan sürenin azalması yanmayı kötüleştirmekte böylece HC emisyonun artmasına neden olduğu düşünülmektedir. 40 HC (ppm) 35 30 25 20 15 10 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 Motor devri (dev/dk) NM KM NM-2 NM-6 NM-12 KM-2 KM-6 KM-12 Şekil 4. HC emisyonlarının değişimi NM ile KM kıyaslandığında, uygulanan kaplama işleminden dolayı KM de bütün test yakıtları için HC emisyonunda azalma görülmüştür. Kaplama işleminin etkisi ile oluşan bu durumun yanma sonu sıcaklığının artmasına bağlı olarak kimyasal reaksiyon verimindeki artışa bağlı olduğu düşünülmektedir. NM ve KM için HC emisyonu kıyaslaması yapıldığında; bütün devirlerin ortalaması olarak KM de D-2 yakıtında %30.34, %2DMA + D2 yakıtında %30.71, %6DMA + D2 yakıtında %30.93, %12DMA + D2 yakıtında ise %31.15 oranlarında azalma tespit edilmiştir. KM için HC emisyonu değerlendirmesi yapıldığında; bütün devirlerin ortalaması olarak D-2 yakıtına kıyasla %2DMA+D2 yakıtında %3.96, %6DMA+D2 yakıtında %4.95, %12DMA+D2 yakıtında ise %5.94 oranlarında azalma tespit edilmiştir. 4. SONUÇLAR Mevcut çalışmada bir dizel motorun yanma odasını elamanları borlama yöntemi ile kaplanmış, bu motorda DMA ve dizel karışımları kullanılmıştır. Uygulanan kaplamadan dolayı yanma odası içerisinden transfer edilen ısı miktarı azalmasının yanma reaksiyonu üzerinde olumlu yönde etki yaptığı 1036
görülmüştür ve bunun sonucu olarak zararlı egzoz emisyonlarında NOX hariç azalma meydana gelmiştir. Sonuç olarak; Yanma odası elemanları bor ile kaplanmış olan KM de, NM ye kıyasla; CO ve HC emisyonları dikkat çekici miktarda azalma, NOX emisyonunda ise artış görülmüştür. DMA katkısı genel olarak emisyonlar üzerinde olumlu etki göstererek, CO ve HC emisyonlarında azalmaya, NOX emisyonunda ise düşük oranlarda artışa sebep olduğu görülmüştür. 5. KAYNAKLAR [1] W. Yu, W. Yang, F. Zhao, D. Zhou, K. Tay, B. Mohan, Development of a three-step hybrid simulation approach (THSA) for engine combustion investigation coupled with a multistep phenomenon soot model and energy balance analysis, Appl. Energy. 185 (2017) 482 496. doi:10.1016/j.apenergy.2016.10.137. [2] S. V. Channapattana, A.A. Pawar, P.G. Kamble, Optimisation of operating parameters of DI-CI engine fueled with second generation Bio-fuel and development of ANN based prediction model, Appl. Energy. 187 (2017) 84 95. doi:10.1016/j.apenergy.2016.11.030. [3] J. Ko, D. Jin, W. Jang, C.L. Myung, S. Kwon, S. Park, Comparative investigation of NOx emission characteristics from a Euro 6-compliant diesel passenger car over the NEDC and WLTC at various ambient temperatures, Appl. Energy. (2017). doi:10.1016/j.apenergy.2016.11.105. [4] S.I. Mustapa, H.A. Bekhet, Analysis of CO2 emissions reduction in the Malaysian transportation sector: An optimisation approach, Energy Policy. (2016). doi:10.1016/j.enpol.2015.11.016. [5] H. Hazar, H. Sevinc, Investigation of the effects of pre-heated linseed oil on performance and exhaust emission at a coated diesel engine, Renew. Energy. 130 (2019) 961 967. doi:10.1016/j.renene.2018.07.003. [6] P. Bridjesh, P. Periyasamy, A.V. Krishna Chaitanya, N.K. Geetha, MEA and DEE as additives on diesel engine using waste plastic oil diesel blends, Sustain. Environ. Res. 28 (2018) 142 147. doi:10.1016/j.serj.2018.01.001. [7] E. Ileri, G. Koçar, Effects of antioxidant additives on engine performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with canola oil methyl ester-diesel blend, Energy Convers. Manag. 76 (2013) 145 154. doi:10.1016/j.enconman.2013.07.037. [8] H. Hazar, H. Gul, Modeling analysis of chrome carbide (Cr3C2) coating on parts of combustion chamber of a SI engine, Energy. 115 (2016) 76 87. doi:10.1016/j.energy.2016.08.083. [9] H. Hazar, C. Oner, M. Nursoy, Effects of CrN coating of cylinders on engine performance, Energy Educ. Sci. Technol. Part A Energy Sci. Res. (2009). 1037